超高速綠光微型LED　讓智慧顯示與通訊並進(jìn)

本校光電所暨電機(jī)系林恭如教授與陽(yáng)明交通大學(xué)郭浩中教授，及日本東京大學(xué)特約研究員程志賢博士聯(lián)手合作最新研究成果，以超快2x2綠色微型發(fā)光二極體陣列元件（Green Micro-LED, G- LED），達(dá)成在自由空間中超過(guò)5-Gbit/s可見(jiàn)光無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蜃羁旒o(jì)錄。

這個(gè)超高速綠光微型LED陣列的研究成果，是繼高速藍(lán)光與紅光微型發(fā)光二極體元件的開(kāi)發(fā)後，讓智慧顯示裝置也能進(jìn)行自由空間光通訊研究發(fā)展的最後一哩路。該篇論文獲美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)接受發(fā)表，並經(jīng)由英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)Harald Haas教授審閱以短文總結(jié)，從該學(xué)會(huì)每年近一萬(wàn)篇出版論文中，選錄至多僅1%為焦點(diǎn)論文，報(bào)導(dǎo)於美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)《光學(xué)聚焦》Spotlight on Optics?！豆鈱W(xué)聚焦》電子網(wǎng)頁(yè)創(chuàng)刊已逾十年，自全年出版近一萬(wàn)篇論文中，選錄僅1%為焦點(diǎn)論文。今年所有獲選文章中僅有2篇以臺(tái)灣學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)為通訊住址，本篇論文為其中之一。

Haas教授在全球LiFi （Lighting Fidelity）與VLC （Visible Light Communication）領(lǐng)域中廣為人知，他在《光學(xué)聚焦》所推薦的論文總結(jié)報(bào)導(dǎo)中指出，由林教授與郭教授團(tuán)隊(duì)所研發(fā)具有高頻寬且光譜穩(wěn)定的可見(jiàn)光微型LED，提供五十億位元/秒（5-Gbps）以上的數(shù)據(jù)串流速率，將開(kāi)啟智慧顯示與元宇宙等相關(guān)應(yīng)用的新紀(jì)元。目前，頭戴式增強(qiáng)實(shí)境裝置要產(chǎn)生滿足人類感知視覺(jué)品質(zhì)的影像，信號(hào)串流傳輸所需原始數(shù)據(jù)速率高達(dá)每秒1太比特（Tbit/s），即使經(jīng)過(guò)不失真壓縮後，仍須 4 Gbps數(shù)據(jù)傳輸位元率。因此，開(kāi)發(fā)允許此類數(shù)據(jù)速率的可見(jiàn)光譜區(qū)投影光源理想候選者，對(duì)於實(shí)現(xiàn)無(wú)失真增強(qiáng)實(shí)境視覺(jué)裝置的技術(shù)至關(guān)重要。然而，為能充分利用可見(jiàn)光區(qū)可用的光譜頻段，超高電調(diào)變頻寬與接近理想光電轉(zhuǎn)換效率的發(fā)光二極體元件開(kāi)發(fā)，至今仍是學(xué)術(shù)界根本性挑戰(zhàn)課題。

這個(gè)獨(dú)步全球具備超快電-光調(diào)變頻寬的2x2微型綠光LED陣列，由郭教授提出新穎的綠光LED元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，藉以突破目前此類元件中量子侷限斯塔克效應(yīng)，有效解決高電流密度注入元件時(shí)會(huì)降低發(fā)射效率的瓶頸。此元件優(yōu)雅而獨(dú)到的設(shè)計(jì)也一併解決了過(guò)去在分波多工應(yīng)用上，受限於元件設(shè)計(jì)，在高電流操作偏移發(fā)射光譜時(shí)，始終會(huì)造成譜線拓寬，而影響調(diào)變速度與效率的問(wèn)題。另一項(xiàng)重大改進(jìn)來(lái)自於林教授對(duì)此陣列元件提出能整合微波轉(zhuǎn)接頭的高速數(shù)據(jù)調(diào)變封裝設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)能有效提升其電光調(diào)變3-dB頻寬達(dá)到800-MHz，據(jù)推測(cè)，若能再透過(guò)增強(qiáng)補(bǔ)償?shù)臄?shù)位驅(qū)動(dòng)與調(diào)製電路技術(shù)，應(yīng)可使此元件實(shí)現(xiàn)接近10-Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。此一元件的發(fā)表隨即受到元宇宙相關(guān)概念產(chǎn)業(yè)的重視，如Meta、鴻海、智崴等公司，以其優(yōu)越的性能參數(shù)，在智慧顯示、擴(kuò)增實(shí)境、照明通信與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求上，預(yù)期都將有爆炸性的成長(zhǎng)。

詳細(xì)圖說(shuō)：

上左: 綠光微型發(fā)光二極體(G-uLED)元件縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖
上右: 綠光微型發(fā)光二極體(G-uLED)元件極化光選擇輸出光柵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
中右: 綠光微型發(fā)光二極體(G-uLED)元件半極化輸出選擇光柵鳥(niǎo)瞰圖
下左: 綠光微型發(fā)光二極體(G-uLED)元件顯微照片正視圖
下中: 綠光微型發(fā)光二極體(G-uLED)元件發(fā)光照片正視圖
下右: 綠光微型發(fā)光二極體(G-uLED)元件半極化選擇光柵圓柱結(jié)構(gòu)近距顯微照片

研究成果已刊登於國(guó)際期刊《光學(xué)聚焦》：https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-9-10-2077&id=460138